Experimentelle und numerische Untersuchung der Wärmeübertragungs- und Strömungscharakteristik von berippten Einzelrohren und Rohrbündeln mit neuartigem Rippendesign

Die Übertragung thermischer Energie durch Wärmeübertrager ist ein essentieller Vorgang in unterschiedlichen, technischen Prozessen. Die am häufigsten vorkommende Wärmeübertragerbauform bei der Wärmeabgabe an ein Gas ist der Rippenrohrwärmeübertrager. Bis zu 85 % des thermischen Widerstandes treten nach Wang et al. (2002) dabei gasseitig auf, weshalb eine Verbesserung des Wärmeüberganges wesentlich zur Erhöhung der Gesamtleistung beiträgt. Eine typische Anwendung von geneigten Rippenrohren sind luftgekühlte Kondensatoren. Der Einfluss der Rohrneigung auf die Wärmeübertragungs- und Strömungscharakteristik von Rippenrohren wurde in der Literatur bislang kaum untersucht. Luftgekühlte Kondensatoren werden allerdings in geneigter Orientierung installiert, um einen Kondensatablauf auf der Rohrinnenseite zu ermöglichen. Daher würde der Auslegungsprozess von luftgekühlten Kondensatoren wesentlich von einer experimentellen Charakterisierung des Einflusses der Rohrneigung auf die Wärmeübertragungs- und Strömungscharakteristik profitieren. Es existiert eine Vielzahl von Rippendesigns zur Erhöhung der luftseitigen Turbulenz entlang der Rippenoberfläche. In der Literatur konnten keine Rippendesigns gefunden werden, welche neben der Turbulenzerzeugung auch die Wärmeleitung von der Rippenbasis zur Rippenspitze verbessern und somit eine homogenere Temperaturverteilung erreichen. Wissenschaftliche Arbeiten zur Naturkonvektion beschränken sich auf numerische und experimentelle Analysen von berippten Einzelrohren. Rippenrohrbündel unter Naturkonvektion sowie der Einfluss der relevanten Rippen- und Rohrparameter auf die Wärmeübertragung der Rohrbündel wurde bislang kaum untersucht. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein 6,5 m langer vertikaler Strömungskanal errichtet, in welchem unterschiedliche Gleichrichter zur Homogenisierung der Strömung installiert waren. Mittels einer Kombination aus analytischen Näherungsverfahren und Vermessung der lokal aufgelösten Rippenoberflächentemperatur wurde der Rippenwirkungsgrad bestimmt. Die Neigung der Rohrachse gegenüber der Horizontalen erhöht die Nusselt-Zahl bei erzwungener Konvektion und erniedrigt diese bei natürlicher Konvektion. Bei erzwungener Konvektion ist das Leistungsverhalten der Wärmeübertrager unter geneigter Orientierung aufgrund des höheren Druckverlustes reduziert. Für beide Konvektionsarten sinkt der Einfluss des Neigungswinkels auf die Nusselt-Zahl mit abnehmendem Rippenabstand. Basierend auf den experimentellen Untersuchungen wurden Korrelationen entwickelt, um den Wärmeübergang in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl oder Rayleigh-Zahl, dem Neigungswinkel und dem Rippenabstand zu beschreiben. Die existierenden Rippendesigns zielen darauf ab, den gasseitigen konvektiven Wärmeübergang zu verbessern. Die Steigerung der Wärmeleitung durch das Rippendesign wird dabei weitestgehend vernachlässigt. Die Beeinflussung der Wärmeleitung, beispielsweise durch Veränderung des wärmeleitenden Querschnittes entlang des Rippenumfanges, ist durch konventionelle Fertigungstechnologien nur schwierig oder gar nicht realisierbar. Mit neuartigen Herstellungsverfahren, wie der additiven Fertigung, können diese komplexen Geometrien erzeugt und somit auch die Wärmeleitung lokal erhöht werden. Bei der additiven Fertigung wird ein Pulverbett selektiv mit einem Laser oder Elektronenstrahl aufgeschmolzen und das Bauteil schrittweise generiert. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Technologie genutzt, um Rippen mit verstärkenden, in der Rippenoberfläche integrierten, Stiften zu fertigen. Dadurch werden die Wärmeleitung und die Konvektion entlang der Rippenoberfläche verbessert. Zwei neuartige Designs wurden additiv gefertigt, experimentell in einem vertikalen Strömungskanal charakterisiert und patentiert. Bei den Untersuchungen wurde festgestellt, dass das Leistungsbewertungskriterium der geschlitzten integrierten Stiftrippe (SIPF) um 78,5 % höher und die Kompaktheit der runden integrierten Stiftrippe (CIPF) um 24,3 % höher ist als bei der konventionellen glatten Rohrrippe. Die Rohre mit neuartigem Rippendesign wurden auch unter verschiedenen Neigungswinkeln untersucht. Die Zunahme des Druckverlustes mit dem Rohrneigungswinkel ist niedriger als bei der konventionellen Rippe. Die SIPF erreicht bei einer Neigung von α=20 ° das höchste Leistungsverhalten und die CIPF erreicht bei α=40 ° Neigung die höchste volumetrische Wärmestromdichte. Die entwickelten Korrelationen beschreiben die Abhängigkeit dieser Designs von der Reynolds-Zahl für verschiedene Rippenabstände sowie von der Reynolds-Zahl für verschiedenen Neigungswinkel. Eine typische Anwendung von geneigten Rippenrohren sind luftgekühlte Kondensatoren, bei denen die Erfassung der thermischen Wärmeübertragungsleistung auf der Rohrinnenseite aufgrund des Phasenwechsels unter Umständen schwierig ist. Eine neue Messtechnik, der Temperatur-Anemometrie-Gittersensor (TAGS), wurde genutzt, um die luftseitige Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit zeitgleich und ortsaufgelöst zur ermitteln. Die gemessene Temperaturverteilung ist für geneigte Rippenrohre stark ungleich verteilt. Fünf verschiedene Varianten zur Berechnung der thermischen Wärmeübertragungsleistung werden miteinander verglichen. Die Bestimmung mittels gewichteter Wärmestromdichten zeigt dabei die geringsten Abweichungen. Der numerische Strömungsberechnungscode ANSYS CFX 19.0 wurde verwendet, um den Einfluss der Rippen- und Rohrparameter auf die Naturkonvektion von Rippenrohrbündeln qualitativ zu analysieren. Basierend auf der numerischen Studie wurden die zu optimierenden Rippen- und Rohrparameter ausgewählt. Zu diesen Parametern zählen die Rippendicke, der Rippenabstand, die Rippenhöhe, das Rohrachsenverhältnis, die Rohranordnung, die transversalen und longitudinalen Rohrabstände sowie die Rohrreihenanzahl. Diese Optimierung wurde mit Erkenntnissen bezüglich der erzwungenen Konvektion aus der Literatur kombiniert, wobei das ovale Rippenrohrbündel ein Achsenverhältnis von 1:2, eine Rippendicke von 1 mm, einen Rippenabstand von 5 mm und eine Rippenhöhe von 17 mm hat. Die versetzte Anordnung hat einen longitudinalen Rohrabstand von 63 mm sowie einen transversalen Rohrabstand von 53 mm und wurde in zwei- und dreireihiger Rohrreihenanzahl ausgeführt. Numerische Simulationen dieses optimierten Wärmeübertragers wurden für Naturkonvektion und für erzwungene Konvektion durchgeführt und qualitativ verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigen für beide Konvektionsarten ähnliche Strömungsphänomene, wie beispielsweise Staupunkte am Rohr, Nachlaufgebiete stromabwärts des Rohres und Beschleunigungsbereich zwischen den Rohrrippen. Die optimierten Rohrbündelwärmeübertrager wurden mit konventionellen Rippen und den neuartigen Rohrrippen in zweireihiger und dreireihiger Ausführung realisiert. In einer dafür angepassten Testsektion wurden die experimentellen Untersuchungen durchgeführt. Im Vergleich zur konventionellen Rippe zeigt die SIPF ein höheres Leistungsbewertungskriterium und eine um 52 % höhere Nusselt-Zahl für beide Ausführungen. Die CIPF erreicht eine um 22,4 % und 27,8 % höhere volumetrische Wärmestromdichte für die zweireihige und dreireihige Ausführung verglichen mit der konventionellen Rippe. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen der Rohrbündelwärmeübertrager unter Naturkonvektion in einem Kamin zeigen durchschnittlich 19,7 % und 10,9 % höhere Nusselt-Zahlen sowie 11,2 % und 4,0 % höhere volumetrische Wärmestromdichten der SIPF für die dreireihigen und zweireihigen Wärmeübertrager im Vergleich zum konventionellen Design. Ein verbessertes thermisches Leistungsverhalten für CIPF bei Naturkonvektion ist nicht zu erkennen. Diese Arbeit zeigt, wie durch moderne Fertigungsverfahren und neue Designs auch Komponenten mit einem hohen technologischen Reifegrad weiter optimiert werden können. Durch verbesserte Wärmeübertragungsleistung bei gleichzeitig niedrigerem Materialverbrauch können Wärmeübertrager effizienter und ressourcenschonender hergestellt und betrieben werden.The transfer of heat is an essential process in many technical applications and is usually realized by heat exchangers. The most common design to transfer heat to a gas is the finned tube bundle heat exchanger. Since up to 85 % of the thermal resistance occur on the gas side, an improvement of the heat transfer from the wall into the gas would increase the total thermal performance significantly (Wang et al., 2002). The influence of tilted tubes on the thermal and flow performance of finned tubes has rarely been studied so far. This tilted orientation is of particular relevance for air cooled condensers, to allow liquid drainage inside the tube. Several fin designs were developed to enhance the air side flow mixing along the fin surface. However, a fin design which induces turbulence and simultaneously improves the heat conduction was not found in literature. The literature study evinces a focus of numerical and experimental work on natural convection of single finned tubes. In contrast to single tubes, the natural convection of finned tube bundles has been barely investigated so far. Especially the influence of fin and tube parameters as well as the fin design was mostly neglected for finned tube bundles at natural convection. A 6.5 long vertical flow channel, including a flow straightener to homogenize the flow, was erected for the experimental investigations. The fin temperature was determined by a combination of an analytical approximation method and locally resolved temperature measurements. It was used to calculate the fin efficiency. The tube tilt angle increases the Nusselt number for forced convection and reduces the Nusselt number for natural convection. For forced convection the performance of the heat exchanger reduces with tube tilt angle due to the higher pressure drop. As the fin spacing reduces the influence of the tube tilt angle becomes small for both types of convection. Based on the experimental outcome correlations were developed to predict the heat transfer as a function of Reynolds number or Rayleigh number, the tube tilt angle and the fin spacing. The existing fin designs aim to improve the convective heat transfer and the heat conduction is mostly neglected. The influence on the heat conduction, e. g. by strengthening of the cross section for heat conduction along the fin circumference, is difficult or impossible to be achieved by conventional manufacturing technologies. Novel production techniques, such as additive manufacturing, allow the generation of complex geometries. In an additive manufacturing process a powder bed is selectively melted by a laser or electron beam, to stepwise generate the component. In the present study this technology was applied to produce fin surfaces with integrated pins to enhance the heat conduction within the fin and to improve convection along the fin surface. Two novel patented designs were developed and experimentally characterized in the flow channel. It was found, that the performance evaluation criterion of the serrated integrated pin fin (SIPF) is 78.5 % higher and the compactness of the circular integrated pin fin (CIPF) is 24.3 % higher compared to the convectional, plain fin (CPF). The tubes were also studied for various tube tilt angles. A smaller increase of the pressure drop occurs for the novel fin designs at higher tube tilt angle compared to the conventional design. The SIPF achieves the greatest performance at a tube tilt angle of =20 ° and the CIPF achieves the highest volumetric heat flux density at =40 °. An empirical correlation predicts the heat transfer from the designs depending on the Reynolds number for different fin spacing as well as on the Reynolds number for different tube tilt angle. Tilted finned tube heat exchangers are typically used as air-cooled condensers, where the determination of thermal heat transfer may be intricate on the tube inside due to the phase change. Therefore, a new sensor, the Temperature Anemometry Grid Sensor (TAGS), was used to measure the local and time resolved air side temperature and velocity distribution. For the tilted finned tubes a strongly inhomogeneous temperature distribution was measured. Five different approaches were compared to calculate the thermal power. The method with weighted heat flux densities gives the lowest deviation. The numerical fluid dynamics code ANSYS CFX 19.0 was applied to analyze the influence of fin and tube bundle parameters on the natural convection from finned tube bundles. Based on the numerical investigation the fin parameters, such as fin thickness, fin spacing and fin height as well as the tube bundle parameters, such as tube axis ratio, tube arrangement, transversal tube pitch, longitudinal tube pitch and tube row number, were optimized. These results were used together with data from literature to determine an optimal tube bundle. It has an axis ratio of 1:2, a fin thickness of 1 , a fin spacing of 5 and a fin height of 17 . The staggered arrangement has a longitudinal tube pitch of 63 , a transversal tube pitch of 53 and a tube row number between two and three. The optimized heat exchangers were simulated for forced and natural convection and the results are qualitatively compared. From these results the finned tube bundle configurations were generated for the conventional and the two novel fin designs in a two and three row arrangement. It was found, that for forced convection the SIPF give a higher thermal and flow performance as well as a 52 % greater Nusselt number compared to the conventional design for both arrangements. Furthermore, the CIPF achieves 22.4 % and 27.8 % higher volumetric heat flux density compared to the conventional design for the two row and three row arrangement. The experimental investigation of the tube bundle configurations under natural convection in a chimney show 19.7 % and 10.9 % greater Nusselt numbers as well as 11.2 % and 4.0 % higher volumetric heat flux density for the SIPF with three row and two row heat exchangers respectively compared to the conventional design. The CIPF does not achieve higher thermal performance for natural convection. The present investigation illustrates, that the application of modern manufacturing technologies and designs can further improve components, which are already at a high degree of maturity. The enhanced heat transfer and the simultaneous reduction of material consumption allows the development and operation of efficient and sustainable heat exchangers